Comprendre la structure microscopique d'un matériau est essentiel pour comprendre son fonctionnement et ses propriétés fonctionnelles. Les progrès dans des domaines tels que la science des matériaux ont de plus en plus poussé les capacités à déterminer ces caractéristiques à des résolutions encore plus élevées. Une technique d'imagerie à résolution nanométrique, microscopie électronique à transmission (MET), est un exemple de technologie prometteuse dans ce domaine. Les scientifiques ont récemment trouvé un moyen d'exploiter la puissance du MET pour mesurer la structure d'un matériau à la résolution la plus élevée possible, en déterminant la position 3-D de chaque atome individuel.

Présentant leurs travaux au congrès OSA Imaging and Applied Optics 25-28 juin, à Orlando, Floride, ETATS-UNIS, une équipe de chercheurs a démontré une technique utilisant la tomographie MET pour déterminer les positions 3-D d'atomes fortement diffusants. Grâce à la simulation, le groupe a montré qu'il est possible de reconstruire les potentiels atomiques avec une résolution atomique en utilisant uniquement des mesures d'intensité d'image, et qu'il est possible de le faire sur des molécules très sensibles aux faisceaux d'électrons.

"La microscopie électronique à transmission est largement utilisée en science des matériaux et en biologie, " dit Colin Ophus, Centre National de Microscopie Electronique, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Berkeley, Californie, et membre de l'équipe de recherche. "Parce que nous résolvons complètement la propagation non linéaire du faisceau d'électrons, notre méthode de reconstruction tomographique permettra une reconstruction plus quantitative d'échantillons faiblement diffusants, à une résolution plus élevée ou même atomique."

Semblable à la façon dont les tomodensitogrammes (CT) effectués pour l'imagerie médicale dans les hôpitaux sont construits à l'aide d'une série d'images transversales bidimensionnelles à différents incréments, la tomographie électronique construit un volume tridimensionnel en faisant tourner les échantillons par incréments, collecter des images en deux dimensions. Alors que la plupart des images tomodensitométriques dans les hôpitaux sont effectuées avec des rayons X pour déterminer les caractéristiques de choses plus grandes comme les os, les faisceaux d'électrons utilisés en MET permettent aux chercheurs de regarder avec une résolution nettement plus élevée, jusqu'à l'échelle atomique.

"Toutefois, à l'échelle atomique on ne peut négliger les effets de mécanique quantique très complexes de l'échantillon sur le faisceau d'électrons, " dit Ophus. " Cela signifie dans notre travail, nous devons utiliser un algorithme beaucoup plus sophistiqué pour récupérer la structure atomique que ceux utilisés dans une IRM ou un scanner."

La configuration TEM utilisée par le groupe a mesuré l'intensité d'énergie qui frappe le capteur du microscope, qui est proportionnel au nombre d'électrons qui frappent le capteur, un nombre qui dépend de la configuration du faisceau d'électrons pour chaque expérience. En utilisant les données d'intensité, le nouvel algorithme conçu par le groupe a cousu les images projetées en deux dimensions dans un volume en 3D.

Faire le saut en trois dimensions avec de grands champs de vision, cependant, peut taxer les ordinateurs de manière exponentielle plus que de traiter des images 2D simples. Pour contourner ce problème, ils ont modifié leur algorithme pour être utilisé sur des unités de traitement graphique (GPU), qui peut effectuer plusieurs fois plus d'opérations mathématiques en parallèle que les unités de traitement informatique (CPU) typiques.

« Nous sommes en mesure d'obtenir des résultats dans un délai raisonnable pour des dimensions d'échantillons réalistes, " a déclaré David Ren, un membre de l'équipe.

Avec des liaisons généralement plus faibles entre leurs atomes, les biomolécules peuvent être notoirement difficiles à étudier à l'aide de MET car les faisceaux d'électrons utilisés pour étudier un alliage métallique, par exemple, déchirerait généralement une biomolécule. Abaisser le dosage d'électrons dans un échantillon, bien que, peut créer des images si bruyantes, d'autres algorithmes actuellement utilisés ne peuvent pas reconstruire une image 3D. Grâce à un modèle physique plus précis, le nouvel algorithme de l'équipe a la capacité.

Maintenant qu'ils ont complètement développé l'algorithme de reconstruction, l'équipe a dit qu'ils espèrent appliquer ce qu'ils ont observé des simulations aux données expérimentales. Ils prévoient de rendre tous leurs codes de reconstruction disponibles en open source pour la communauté de recherche au sens large.